JP2009047744A - 光学系、光源装置、光走査装置、画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化に伴い波長が変化する特性のある光源と、回折素子と、を有する構成の場合でも、環境温度変化による変動を抑制することが可能な光学系を提供する。
【解決手段】温度変化に伴い波長が変化する特性のある光源（１）と、光源（１）からの光束の進行方向を変更する回折素子（３）と、を有する光学系であり、光学系の使用温度範囲を２Ｔ[℃]、光束の回折次数をｍ、回折素子３の設計射出光束角をθm[rad]、回折素子３の射出角の許容変化値を±Δθm[rad]、光源１の設計波長をλ[nm]、１℃当たりの波長変化量をΔλ[nm]、回折素子３の構造周期をＰ[nm]、回折素子３の線膨張係数をα[/℃]とした場合、以下の式を満たすことを特徴とする。−（１+αＴ）≦ｍＴ(Δλ−αλ)／[ＰΔθmｃｏｓθm]≦１+αＴ・・・式
【選択図】図１

Description

本発明は、光学系、光源装置に関し、特に、デジタル複写機、プリンタ等に好適な光学系、光源装置、その光学系、光源装置を有する光走査装置、画像形成装置に関するものである。

ＳＷＳ（Sub Wavelength Structure：サブ波長構造）、バイナリレンズ等の回折素子は、薄型で、製造も容易で、光線の方向変化、集光、発散、合成や分岐が出来るため、近年、様々な光学系で用いられている。

また、半導体レーザは、小型で安価、低消費電力でレーザ光が得られる光源として、様々な光学系で用いられている。

例えば、画像形成装置を構成する光走査装置において、マルチビーム光源ユニットに応用し、ポリゴンミラーの回転数を上げることなく印字速度の向上や書込密度の向上を達成している技術について開示された文献がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−３０１１１３号公報

ところで、半導体レーザは、温度が上昇すると波長が伸びるという特性があり、また、回折素子は、光波長が変化すると光線の方向が変わってしまう特性がある。

このため、温度変化に伴い波長が変化する特性のある光源を有する光学系に対し、回折素子を用いた場合には、環境温度による変化が大きいと上述した回折素子の特性が問題となる。また、マルチビーム光源ユニットに応用した場合には、像面上でのビーム間隔のばらつきになり、画像を劣化させることになる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上述した課題である、温度変化に伴い波長が変化する特性のある光源と、光波長が変化すると光線の方向が変わってしまう特性のある回折素子と、を有する構成において、環境温度変化による変動を抑制することが可能な光学系、光源装置、光走査装置、画像形成装置を提供することを目的とするものである。

かかる目的を達成するために、本発明は、以下の特徴を有することとする。

＜光学系＞
本発明にかかる光学系は、
温度変化に伴い波長が変化する特性のある光源と、前記光源からの光束の進行方向を変更する回折素子と、を有する光学系であって、
前記光学系の使用温度範囲を２Ｔ[℃]、光束の回折次数をｍ、前記回折素子の設計射出光束角をθm[rad]、前記回折素子の射出角の許容変化値を±Δθm[rad]、前記光源の設計波長をλ[nm]、１℃当たりの波長変化量をΔλ[nm]、前記回折素子の構造周期をＰ[nm]、前記回折素子の線膨張係数をα[/℃]とした場合、以下の式を満たすことを特徴とする。
−（１+αＴ）≦ｍＴ(Δλ−αλ)／[ＰΔθmｃｏｓθm]≦１+αＴ・・・式

＜光源装置＞
また、本発明にかかる光源装置は、
温度変化に伴い波長が変化する特性のある少なくとも２つの光源と、前記各光源からの光束をカップリングするカップリングレンズと、使用する光の波長よりも小さい局所的周期構造を有する回折素子と、を有し、前記回折素子は、第２の周期を有し、異なる方向から入射する光束を、その各々の光束の一部がほぼ同一方向となるように出射する光源装置であって、
前記光源装置の使用温度範囲を２Ｔ[℃]、光束の回折次数をｍ、前記回折素子の設計射出光束角をθm[rad]、前記回折素子の射出角の許容変化値を±Δθm[rad]、前記光源の設計波長をλ[nm]、１℃当たりの波長変化量をΔλ[nm]、前記第２の周期をＰ[nm]、前記回折素子の線膨張係数をα[/℃]とした場合、以下の式を満たすことを特徴とする。
−（１+αＴ）≦ｍＴ(Δλ−αλ)／[ＰΔθmｃｏｓθm]≦１+αＴ・・・式

＜光走査装置＞
また、本発明にかかる光走査装置は、
上記記載の光学系または上記記載の光源装置を有する光走査装置であって、
前記光学系または前記光源装置からの光束を回転多面鏡により偏向し、該偏向した光束を走査光学系により被走査面上に光スポットとして集光し、被走査面の光走査を行うことを特徴とする。

また、本発明にかかる光走査装置は、
前記回折素子の線膨張係数が１４Ｅ−５[/℃]以上であることを特徴とする。

＜画像形成装置＞
また、本発明にかかる画像形成装置は、
上記記載の光走査装置を有する画像形成装置であって、
前記光走査装置により像担持体上に静電潜像を形成し、該静電潜像を可視化して可視画像を形成し、該可視画像を記録媒体上に転写して画像形成を行うことを特徴とする。

本発明によれば、温度変化に伴い波長が変化する特性のある光源と、光波長が変化すると光線の方向が変わってしまう特性のある回折素子と、を有する構成において、環境温度変化による変動を抑制することが可能となる。

＜発明の概要＞
まず、図１〜図３を参照しながら、本実施形態の光学系及び光源装置の概要について説明する。なお、図１は、本実施形態の光学系の構成を示し、図２は、本実施形態の光源装置の構成を示し、図３は、図２の光源装置を構成する回折素子の構成を示している。

本実施形態における光学系は、図１に示すように、温度変化に伴い波長が変化する特性のある光源（半導体レーザ１に相当）と、光源（１）からの光束の進行方向を変更する回折素子（レリーフ型回折素子３に相当）と、を有する光学系である。

そして、光学系の使用温度範囲を２Ｔ[℃]、光束の回折次数をｍ、回折素子３の設計射出光束角をθm[rad]、回折素子３の射出角の許容変化値を±Δθm[rad]、光源１の設計波長をλ[nm]、１℃当たりの波長変化量をΔλ[nm]、回折素子３の構造周期をＰ[nm]、回折素子３の線膨張係数をα[/℃]とした場合、以下の式を満たすことを特徴とする。
−（１+αＴ）≦ｍＴ(Δλ−αλ)／[ＰΔθmｃｏｓθm]≦１+αＴ・・・式

これにより、温度変化に伴い波長が変化する特性のある光源１と、光波長が変化すると光線の方向が変わってしまう特性のある回折素子３と、を有する光学系の場合でも、環境温度変化による変動を抑制することが可能となる。

また、本実施形態における光源装置は、図２に示すように、温度変化に伴い波長が変化する特性のある少なくとも２つの光源（半導体レーザ１ａ，１ｂに相当）と、前記各光源（１ａ，１ｂ）からの光束をカップリングするカップリングレンズ（２ａ，２ｂ）と、使用する光の波長よりも小さい局所的周期構造を有する回折素子（レリーフ型回折素子３に相当）と、を有し、回折素子（３）は、図３（ｂ）に示すように、第２の周期（Ｐ）を有し、異なる方向から入射する光束を、その各々の光束の一部がほぼ同一方向となるように出射する光源装置である。

そして、光源装置の使用温度範囲を２Ｔ[℃]、光束の回折次数をｍ、回折素子３の設計射出光束角をθm[rad]、回折素子３の射出角の許容変化値を±Δθm[rad]、光源１ａ，１ｂの設計波長をλ[nm]、１℃当たりの波長変化量をΔλ[nm]、第２の周期（Ｐ）をＰ[nm]、回折素子３の線膨張係数をα[/℃]とした場合、以下の式を満たすことを特徴とする。
−（１+αＴ）≦ｍＴ(Δλ−αλ)／[ＰΔθmｃｏｓθm]≦１+αＴ・・・式

これにより、温度変化に伴い波長が変化する特性のある光源１ａ，１ｂと、光波長が変化すると光線の方向が変わってしまう特性のある回折素子３と、を有する光源装置の場合でも、環境温度変化による変動を抑制することが可能となる。以下、添付図面を参照しながら、本実施形態の光学系、光源装置、その光学系、光源装置を搭載した光走査装置、画像形成装置について詳細に説明する。なお、以下の説明では、温度変化に伴い波長が変化する特性のある光源として、半導体レーザを適用し、光波長が変化すると光線の方向が変わってしまう特性のある回折素子として、レリーフ型回折素子を適用して説明する。

（第１の実施形態）
まず、図１を参照しながら、本実施形態における光学系について説明する。なお、図１は、本実施形態における光学系の構成を示す図である。

本実施形態における光学系は、半導体レーザ１と、カップリングレンズ２と、レリーフ型回折素子３と、を有して構成している。

なお、半導体レーザ１は、発光点が１つのものの他、アレイ、面発光や複数の半導体レーザを組み合わせた構成も適用可能である。

カップリングレンズ２は、単玉のレンズや、複数のレンズや、他の光学素子がある場合や、ない場合の構成も適用可能である。

レリーフ型回折素子３は、平行平板上に微小な凹凸が刻まれている素子である。なお、レリーフ型回折素子３を構成する材質としては、ガラス、樹脂等、透明な物質などが適用可能である。

なお、本実施形態における光学系は、半導体レーザ１から射出された光線がレリーフ型回折素子３によって所望の方向に曲げられるという構成となっている。

なお、半導体レーザ１の波長をλ[nm]、１℃当たりの波長変化量をΔλ[nm]、レリーフ型回折素子３の光線の入射角をθi[rad]、レリーフ型回折素子３のピッチをＰ[nm]、ｍ次回折光の射出角をθm、レリーフ型回折素子３の材料の線膨張係数をα[/℃]、光学系の使用温度範囲を２Ｔ[℃]、とする。この場合、基準温度では、回折公式より、以下の式（１）を満たすことになる。

sinθi＋ｍλ／Ｐ＝sinθm・・・式（１）

ここで、温度がＴ[℃]上昇したとすると、レリーフ型回折素子３のピッチＰ'[nm]は、以下の式（２）を満たすことを実験結果から判明した。なお、以下の式（２）は、温度の変化に伴うレリーフ型回折素子３のピッチＰ'を顕微鏡にて試験することで導き出したものである。

Ｐ'＝（１＋α）Ｐ・・・式（２）

従って、ｍ次回折光の射出角θ'mは、回折公式より、以下の式（３）を満たすことになる。

sinθi＋ｍ（λ+Δλ）／[(1＋α)Ｐ]＝sinθ'm・・・式（３）

なお、射出角の許容変化値は±Δθm[rad]であるため、射出角θ'mは、式（４）及び式（５）となる。
θ'm≦θm＋Δθm・・・式（４）
θ'm≧θm−Δθm・・・式（５）

また、Δθm≪1より、式（６）となる。
sinΔθm=Δθm・・・式（６）

このため、上述した式（１）〜式（６）を基に、以下の式（７）が導かれることになる。

−（１＋αT）≦ｍＴ(Δλ−αλ)/[ＰΔθm cosθm]≦１+αＴ・・・式（７）

なお、上述した説明では、射出光線が１本の例について説明したが、レリーフ型回折素子３のパターンを変えて、複数次数光線を射出させる構成にすることも可能である。

このように、本実施形態における光学系は、光学系の使用温度範囲を２Ｔ[℃]、光束の回折次数をｍ、レリーフ型回折素子３の設計射出光束角をθm[rad]、レリーフ型回折素子３の射出角の許容変化値を±Δθm[rad]、半導体レーザ１の設計波長をλ[nm]、１℃当たりの波長変化量をΔλ[nm]、レリーフ型回折素子３のピッチ（構造周期）をＰ[nm]、レリーフ型回折素子３の材料の線膨張係数をα[/℃]とした場合、上記式（７）を満たすことで、温度変化に伴い波長が変化する特性のある半導体レーザ１と、光波長が変化すると光線の方向が変わってしまう特性のあるレリーフ型回折素子３と、を有する光学系の場合でも、環境温度変化による変動を抑制することが可能となる。

＜光源装置の構成＞
次に、図２〜図７を参照しながら、上述した図１に示す光学系と同様の光源装置の構成について説明する。

本実施形態の光源装置は、２つの光源としての半導体レーザ１ａ、１ｂと、各々の半導体レーザ１ａ、１ｂから出射された発散性の光ビームを収束、平行、または発散性の光ビームに整形するためのカップリングレンズ２と、カップリングレンズ２から出射された２つの光ビームが角度θのなす角で入射するレリーフ型回折素子３と、を有して構成している。

なお、温度２５℃での半導体レーザ１ａ、１ｂの波長は、655nmであり、波長の温度依存性は0．2[nm/℃]である。

また、レリーフ型回折素子３は、樹脂材料であるZeonexであり、その線膨張係数は6E-5[/℃]である。また、θは30°である。また、半導体レーザ１ａからの光束の進行方向は、レリーフ型回折素子３の面の垂線に対して副走査方向に微小角ずれている。

なお、本実施形態の光源装置は、カップリングレンズ２を２つのカップリングレンズ２ａ、２ｂで構成しているが、ミラーを用いることも可能であり、また、複数枚の光学素子から構成することも可能である。

角度θで入射する２つの光ビームは、その各々の光ビームの一部が、レリーフ型回折素子３により、半導体レーザ１ｂからの光束は、レリーフ型回折素子３の面に垂直に、半導体レーザ１ａからの光束は、レリーフ型回折素子３への入射方向と変わらず、レリーフ型回折素子３の面の垂線に対して副走査方向に微小角ずれて出射される。

図２（ａ）のＡ視（紙面に平行な方向）から見た様子を図２（ｂ）に示す。２つの半導体レーザ１ａ、１ｂ及び２つのカップリングレンズ２ａ、２ｂは、図２（ａ）において紙面に平行な面内に配置されており、図２（ｂ）においては重なっている。厳密には角度θをもって配置されているため、半導体レーザ１ｂ及びカップリングレンズ２ｂの一部分は、半導体レーザ１ａ及びカップリングレンズ２ａの紙面奥側に見えるはずであるが省略している。

次に、図３を参照しながら、本実施形態の光源装置を構成するレリーフ型回折素子３について説明する。レリーフ型回折素子３の光ビームが透過する光学素子表面には、使用する半導体レーザ１の波長よりも小さい局所的周期構造４が形成され、図３（ｂ）に示すように、それがさらに周期Ｐで並んでいる。図３において、局所的周期構造４はレリーフ型回折素子３の基板５と同じ材質で構成されている。

半導体レーザ１の波長をλ、局所的周期構造４の周期（ピッチ）をΛとしたとき、λ＞Λの関係が成り立つように局所的周期構造４が形成されている。なお、周期Ｐは、温度２５℃で１．31[μm]である。

使用する光の波長よりも小さい局所的周期構造４を有するレリーフ型回折素子３は、１つの例として、電子ビーム描画とドライエッチング等を組み合わせた既知の微細加工プロセスによって製作することができる。また、近年では、微細加工プロセスによって作製された金型を用いて安価で大量生産が可能なナノインプリントと呼ばれる複製プロセスが出現している。これにより、レリーフ型回折素子３は偏向ビームスプリッタやビーム合成プリズムよりも安価に作成することが可能となる。

次に、図４を参照しながら、光ビームの少なくとも一部が合成される場合について説明する。即ち、レリーフ型回折素子３によって合成されない『不要な光ビーム』について説明する。図４において、半導体レーザ１ａから出射される光ビーム（図では実線で示す）は、レリーフ型回折素子３に垂直に入射され、光学素子界面でのフレネル反射を除いて１００％透過している。

一方で、半導体レーザ１ｂから出射される光ビーム（図では破線で示す）は、レリーフ型回折素子３に対して角度θをなして入射し、レリーフ型回折素子３による回折効果により、その光ビームの一部が、半導体レーザ１ａからの光ビームと合成されている。従って、１００％の回折効率が得られない限り、不要な光ビームが発生する。

反射光成分や、所望の回折次数以外に回折する透過光成分の光ビームが不要な光ビーム（反射、透過）となる。しかし、これらの不要な光ビームは、アパーチャなどのメカ部品や、その他の光学部品によって除去すれば良く、マルチビーム光源ユニットを構成する上で問題となることはない。また、複数の光ビームの光量差については、各々の半導体レーザ１ａ、１ｂの発光パワー調整により等しくすることができる。

レリーフ型回折素子３は、複屈折結晶などの特別な結晶を用いずに、一般的な媒質の形状によって複屈折性を表す光学素子である。ここで、偏光方向について図５、図６に示すように表す。

レリーフ型回折素子３が有する局所的周期構造４の溝に平行な方向をＴＥ偏光方向、それに垂直な方向をＴＭ偏光方向とする。

レリーフ型回折素子３は、入射する偏光方向によって局所的周期構造４部の屈折率が異なり、光の振る舞いが異なってくる。これについて図７を用いて説明する。

レリーフ型回折素子３の基板５の屈折率をｎとする。用いる光の波長より小さい局所的周期構造４を持つ部分の屈折率は、有効屈折率で表すことが可能であり、図７（ａ）に示すように、空気（屈折率１）と基板５（屈折率ｎ）の周期構造を周期Λ、基板５と同じ媒質で形成される構造物の幅をｆΛ（ｆ：フィリングファクター）で形成する場合、その偏光方向による屈折率ｎ（ＴＥ）、ｎ（ＴＭ）は以下のようになる。

ｎ（ＴＥ）＝√｛ｆｎ²＋（１−ｆ）｝
ｎ（ＴＭ）＝√［ｎ²／｛ｆ＋（１−ｆ）ｎ²｝］

従って、図７（ｂ）に示すように、ＴＭ偏光の光ビームに対しては屈折率ｎ（ＴＭ）からなるバイナリー型の周期Ｐ（ここでＰ＞λ）の回折素子となり、図７（ｃ）に示すように、ＴＥ偏光の光ビームに対しては屈折率ｎ（ＴＥ）からなるバイナリー型の周期Ｐの回折素子となる。

ここで、一般に、ｎ（ＴＥ）＞ｎ（ＴＭ）となることから、ＴＥ偏光に対して、回折素子の格子部（厚さをｄとする）と空気部との位相差を２πとすることにより、回折効果は発生せず、光ビームは１００％透過することになる。

２π｛ｎ（ＴＥ）−１｝ｄ／λ＝２π

この格子部の厚さｄにおいて、ＴＭ偏光に対しては、回折格子の格子部と空気部との位相差は２πではないので、バイナリー型の周期Ｐの回折格子として振舞う。

周期Ｐを回折の式から適切に選ぶことにより、角度θで入射したとき、１次回折光を０°（レリーフ型回折素子３に垂直方向）の角度で出射することができ、以下の式（８）で表すことが可能となる。

ｓｉｎθ＝λ／Ｐ・・・式（８）

以上より、レリーフ型回折素子３によって、ＴＥ偏光の光ビームは透過し、ＴＭ偏光の光ビームは回折効果が生じ、周期Ｐを選択することにより、その光ビームの一部を、ＴＥ偏光の光ビームとほぼ同一方向に回折することが可能となる。

ゆえに、図５に示すように、異なる２つの方向から入射する光ビームの偏光状態を９０°異なる直線偏光して、偏光状態を分離することで、２つの光ビームを独立に制御することが可能となるため、半導体レーザ１ａ，１ｂ及びカップリングレンズ２ａ，２ｂをこの状態となるように配置することが可能となる。

このため、本実施形態における光源装置は、図２に示すように、温度変化に伴い波長が変化する特性のある少なくとも２つの半導体レーザ１ａ，１ｂと、各半導体レーザ１ａ，１ｂからの光束をカップリングするカップリングレンズ２ａ，２ｂと、使用する光の波長よりも小さい局所的周期構造４を有するレリーフ型回折素子３と、を有し、レリーフ型回折素子３は、図３（ｂ）に示すように、第２の周期（Ｐ）を有し、異なる方向から入射する光束を、その各々の光束の一部がほぼ同一方向となるように出射する光源装置において、図１に示すように、光源装置の使用温度範囲を２Ｔ[℃]、光束の回折次数をｍ、レリーフ型回折素子３の設計射出光束角をθm[rad]、レリーフ型回折素子３の射出角の許容変化値を±Δθm[rad]、半導体レーザ１ａ，１ｂの設計波長をλ[nm]、１℃当たりの波長変化量をΔλ[nm]、第２の周期（Ｐ）をＰ[nm]、レリーフ型回折素子３の材料の線膨張係数をα[/℃]とした場合、上記式（７）を満たすことで、温度変化に伴い波長が変化する特性のある半導体レーザ１ａ，１ｂと、光波長が変化すると光線の方向が変わってしまう特性のあるレリーフ型回折素子３と、を有する光源装置の場合でも、環境温度変化による変動を抑制することが可能となる。

（光走査装置）
次に、図８を参照しながら、上述した本実施形態の光学系、または、光源装置を光走査装置に用いた場合について説明する。

図８に示す１Ａ，Ｂは、半導体レーザであり、２Ａ，Ｂは、カップリングレンズである。これらは副走査方向にずれており、主走査方向には重なっているので、図８では、一方のみ記載している。

２つの光束はレリーフ型回折素子３によって合成される。レリーフ型回折素子３を射出した光束はアパーチュア４を通過してビーム整形されたのち、シリンドリカルレンズ５により副走査方向に集束されつつ、防塵ガラス６を介して回転多面鏡７の偏向反射面に入射し、偏向反射面近傍に主走査方向に長い線像として結像する。

偏向反射面に反射された光ビームは『走査結像光学系』を構成する走査レンズ８、９と光走査装置のケーシングの防塵ガラス１０を透過し、走査レンズ８、９の作用により被走査面１１に向かって集光され、被走査面１１上に光スポットを形成する。

回転多面鏡７が矢印方向（時計回り）に等速回転すると、反射された光ビームは等角速度的に偏向する偏向光ビームとなり、光スポットが被走査面１１を主走査する。

半導体レーザ１Ａからの光束と、半導体レーザ１Ｂからの光束と、は、レリーフ型回折素子３からの射出時に副走査方向に微小角ずれているので、被走査面１１で副走査方向に微小に位置がずれており、同時に２本の走査が出来ることになる。

なお、上記表において「＊」を付された面は共軸非球面であり、以下の式（９）で表される。

Ｘ＝｛（Ｙ＾２）／［１＋√｛１−（１＋Ｋ）（Ｙ／Ｒ）＾２｝］＋Ａ・Ｙ＾４＋Ｂ・Ｙ＾６＋Ｃ・Ｙ＾８＋Ｄ・Ｙ＾１０・・・式（９）

なお、上記式（９）の表記で、例えば「Ｙ＾２」は「Ｙ²」を表している。即ち、「記号：＾」はべき乗を表している。

面番号１の面（走査レンズ８の入射側面）では、
Ｋ＝２．６６７，Ａ＝１．７９Ｅ−０７，Ｂ＝−１．０８Ｅ−１２，Ｃ＝−３．１８Ｅ−１４，Ｄ＝３．７４Ｅ−１８,となる。

面番号２の面（走査レンズ８の射出側面）では、
Ｋ＝０．０２，Ａ＝２．５０Ｅ−０７，Ｂ＝９．６１Ｅ−１２，Ｃ＝４．５４Ｅ−１５，Ｄ＝−３．０３Ｅ−１８,となる。

この表記で、例えば「２．５０Ｅ−０７」は「２．５０×１０-⁷」を表す。

なお、上記表において「＊＊」を付された面は、主走査方向の形状が非円弧形状であり、副走査方向の曲率半径は主走査方向に連続的に変化する面である。

面番号３の面(走査レンズ９の入射側面)における主走査方向の形状は式（９）で表現され、
Ｋ＝−７１．７３，Ａ＝４．３３Ｅ−０８，Ｂ＝−５．９７Ｅ−１３，Ｃ＝−１．２８Ｅ−１６，Ｄ＝５．７３Ｅ−２１,である。

副走査方向の曲率半径は、主走査方向における光軸からの距離：Ｙを変数とする（主走査方向に直交する仮想的な平断面内）曲率半径：Ｒｓ(Ｙ)に対応する曲率：Ｃｓ(Ｙ)を、多項式：Ｃｓ(Ｙ)＝(１/Ｒｓ(０))＋Σｂｊ・Ｙ＾ｊ（ｊ＝１，２，３，・・）で表す。

面番号３の面（走査レンズ９の入射側面）は、主走査対応方向において光軸対称で、副走査方向の曲率変化は、Ｒｓ(０)＝−４７．７，ｂ２＝１．６０Ｅ−０３，ｂ４＝−２．３２Ｅ−０７，ｂ６＝１．６０Ｅ−１１，ｂ８＝−５．６１Ｅ−１６，ｂ１０＝２．１８Ｅ−２０，ｂ１２＝−１．２５Ｅ−２４で特定される。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。

第２の実施形態は、レリーフ型回折素子３の材料として、低密度ポリエチレンを適用したことを特徴とする。なお、低密度ポリエチレンの線膨張係数は17E-5[/℃]である。

これにより、温度が２℃上昇し、１７℃になった場合でも、レリーフ型回折素子３を射出後の半導体レーザ１Ａ,Ｂからの光束は0.0078°しか角度変化しないことになる。

なお、一般的に、温度が２℃上昇し、１７℃になると、半導体レーザ１Ａ，Ｂの波長は655.4[nm]、周期Ｐは1.3102[μm]となり、レリーフ型回折素子３を射出後の半導体レーザ１Ａ，Ｂからの光束は0.014°も角度変化してしまうことになる。

ここで、半導体レーザ１Ａ，Ｂでの角度変化0.014°は、被走査面１１上で副走査方向に34[μm]にもなる。これは、温度が変わると２光束の走査する副走査位置関係がずれてしまうことを示しており、著しく画像を悪化させることになる。

このため、本実施形態の光走査装置は、レリーフ型回折素子３の材料として、低密度ポリエチレンを適用することで、環境温度が変化しても、射出角変動を許容範囲に抑えることができ、必要性能を満たすことが可能となる。

なお、線膨張係数が14E-5[/℃]の材質を用いても0.0094°しか角度変化しない。更に、線膨張係数が38.5E-5[/℃]の大日本インキ化学工業株式会社製光学用UV硬化型樹脂OP-38Zを用いれば0.0046°しか角度変化しない。

この光学系を走査光学系に適用した場合、低密度ポリエチレンなら19[μm]で許容できる量である。

また、線膨張係数が14E-5[/℃]の材質では23[μm]でぎりぎり許容できる量である。また、線膨張係数が38.5E-5[/℃]の大日本インキ化学工業株式会社製光学用UV硬化型樹脂OP-38Zなら11[μm]しか変化しない。

このため、レリーフ型回折素子３の線膨張係数が14E-5[/℃]以上であることで、環境温度が変化してもビーム間隔のずれが少ない光走査装置を実現することが可能となる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。

第３の実施形態は、上述した光走査装置を画像形成装置に搭載したことを特徴とするものである。これにより、環境温度が変化しても画像劣化が少ない画像形成装置を実現することが可能となる。以下、図９を参照しながら、本実施形態の画像形成装置について詳細に説明する。

本実施形態における画像形成装置１００は、上述した光走査装置９００、走査対象物としての感光体ドラム９０１、帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、トナーカートリッジ９０４、クリーニングブレード９０５、給紙トレイ９０６、給紙コロ９０７、レジストローラ対９０８、転写チャージャ９１１、定着ローラ９０９、排紙ローラ９１２、及び排紙トレイ９１０等を有して構成している。

帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、転写チャージャ９１１及びクリーニングブレード９０５は、それぞれ感光体ドラム９０１の表面近傍に配置されている。そして、感光体ドラム９０１の回転方向に関して、帯電チャージャ９０２，現像ローラ９０３，転写チャージャ９１１，クリーニングブレード９０５の順に配置されている。

感光体ドラム９０１の表面には、感光層が形成されている。ここでは、感光体ドラム９０１は、図９における面内で時計回り（矢印方向）に回転するようになっている。

帯電チャージャ９０２は、感光体ドラム９０１の表面を均一に帯電させるためのものである。なお、光走査装置９００は、上述した光走査装置が使われており、帯電チャージャ９０２で帯電された感光体ドラム９０１の表面に、図９に示す上位装置（例えばパソコン）からの画像情報に基づいて変調された光を照射する。これにより、感光体ドラム９０１の表面では、光が照射された部分だけ電荷が消失し、画像情報に対応した潜像が感光体ドラム９０１の表面に形成される。ここで形成された潜像は、感光体ドラム９０１の回転に伴って現像ローラ９０３の方向に移動する。

トナーカートリッジ９０４にはトナーが格納されており、該トナーは現像ローラ９０３に供給される。このトナーカートリッジ９０４内のトナー量は、電源投入時や印刷終了時などにチェックされ、残量が少ないときには不図示の表示部に交換を促すメッセージが表示される。

現像ローラ９０３は、回転に伴ってその表面にトナーカートリッジ９０４から供給されたトナーが帯電されて薄く均一に付着される。また、この現像ローラ９０３には、感光体ドラム９０１における帯電している部分（光が照射されなかった部分）と帯電していない部分（光が照射された部分）とで互いに逆方向の電界が生じるような電圧が印加されている。そして、この電圧によって、現像ローラ９０３の表面に付着しているトナーは、感光体ドラム９０１の表面の光が照射された部分にだけ付着する。すなわち、現像ローラ９０３は、感光体ドラム９０１の表面に形成された潜像にトナーを付着させて画像情報を顕像化させる。ここでトナーが付着された潜像は、感光体ドラム９０１の回転に伴って転写チャージャ９１１の方向に移動する。

給紙トレイ９０６には転写対象物としての記録紙９１３が格納されている。この給紙トレイ９０６の近傍には給紙コロ９０７が配置されており、該給紙コロ９０７は、記録紙９１３を給紙トレイ９０６から１枚づつ取り出し、レジストローラ対９０８に搬送する。該レジストローラ対９０８は、転写ローラ９１１の近傍に配置され、給紙コロ９０７によって取り出された記録紙９１３を一旦保持するとともに、該記録紙９１３を感光体ドラム９０１の回転に合わせて感光体ドラム９０１と転写チャージャ９１１との間隙に向けて送り出す。

転写チャージャ９１１には、感光体ドラム９０１の表面上のトナーを電気的に記録紙９１３に引きつけるために、トナーとは逆極性の電圧が印加されている。この電圧により、感光体ドラム９０１の表面の潜像が記録紙９１３に転写される。ここで転写された記録紙９１３は、定着ローラ９０９に送られる。

この定着ローラ９０９では、熱と圧力とが記録紙９１３に加えられ、これによってトナーが記録紙９１３上に定着される。ここで定着された記録紙９１３は、排紙ローラ９１２を介して排紙トレイ９１０に送られ、排紙トレイ９１０上に順次スタックされる。

クリーニングブレード９０５は、感光体ドラム９０１の表面に残ったトナー（残留トナー）を除去する。なお、除去された残留トナーは、再度利用されるようになっている。残留トナーが除去された感光体ドラム９０１の表面は、再度帯電チャージャ９０２の位置に戻る。

このように、本実施形態における画像形成装置１００は、光走査装置９００として、上述した光走査装置が使われているので、温度が変化しても画像劣化が少ない画像形成装置を実現することが可能となる。

なお、上述する実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において当業者が上記実施形態の修正や代用を行い、種々の変更を施した形態を構築することは可能である。

例えば、上述した実施形態における光走査装置、画像形成装置における制御動作は、ハードウェア、または、ソフトウェア、あるいは、両者の複合構成によって実行することも可能である。

なお、ソフトウェアによる処理を実行する場合には、処理シーケンスを記録したプログラムを、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータ内のメモリにインストールして実行させるか、あるいは、各種処理が実行可能な汎用コンピュータにプログラムをインストールして実行させることが可能である。

例えば、プログラムは、記録媒体としてのハードディスクやＲＯＭ（Read Only Memory）に予め記録しておくことが可能である。あるいは、プログラムは、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ(Compact Disc Read Only Memory)，ＭＯ(Magneto optical)ディスク，ＤＶＤ(Digital Versatile Disc)、磁気ディスク、半導体メモリなどのリムーバブル記録媒体に、一時的、あるいは、永続的に格納（記録）しておくことが可能である。このようなリムーバブル記録媒体は、いわゆるパッケージソフトウエアとして提供することが可能である。

なお、プログラムは、上述したようなリムーバブル記録媒体からコンピュータにインストールする他、ダウンロードサイトから、コンピュータに無線転送したり、ＬＡＮ(Local Area Network)、インターネットといったネットワークを介して、コンピュータに有線で転送したりし、コンピュータでは、転送されてきたプログラムを受信し、内蔵するハードディスク等の記録媒体にインストールすることが可能である。

また、上記実施形態で説明した処理動作に従って時系列的に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力、あるいは、必要に応じて並列的にあるいは個別に実行するように構築することも可能である。また、上記実施形態で説明した光走査装置、画像形成装置は、複数の装置の論理的集合構成にしたり、各構成の装置が同一筐体内に存在する構成にしたりするように構築することも可能である。

本発明にかかる光学系、光源装置、光走査装置、画像形成装置は、デジタル複写機、プリンタ等に好適である。

本実施形態の光学系の構成例を示す図である。 本実施形態の光源装置の構成例を示す図であり、（ａ）は、側面図、（ｂ）は、平面図を示す。 本実施形態の光源装置を構成するレリーフ型回折素子３の拡大図であり、（ａ）は、側面図、（ｂ）は、平面図を示す。 レリーフ型回折素子３による光ビームの合成機能を示す図である。 レリーフ型回折素子３の偏向機能を示す図である。 レリーフ型回折素子３の偏向方向の定義を示す図である。 レリーフ型回折素子３の偏向特性を示す図である。 本実施形態の光学系または光源装置を搭載した光走査装置の構成例を示す図である。 本実施形態の光走査装置を搭載した画像形成装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ
２ カップリングレンズ
３ レリーフ型回折素子
４ 局所的周期構造
５ 基板
１ａ,１ｂ 半導体レーザ
２ａ,２ｂ カップリングレンズ
１Ａ，Ｂ 半導体レーザ
２Ａ，Ｂ カップリングレンズ
４ アパーチュア
５ シリンドリカルレンズ
６ 防塵ガラス
７ 回転多面鏡
８、９ 走査レンズ
１０ 防塵ガラス
１１ 被走査面

Claims (5)

1. 温度変化に伴い波長が変化する特性のある光源と、前記光源からの光束の進行方向を変更する回折素子と、を有する光学系であって、
   前記光学系の使用温度範囲を２Ｔ[℃]、光束の回折次数をｍ、前記回折素子の設計射出光束角をθm[rad]、前記回折素子の射出角の許容変化値を±Δθm[rad]、前記光源の設計波長をλ[nm]、１℃当たりの波長変化量をΔλ[nm]、前記回折素子の構造周期をＰ[nm]、前記回折素子の線膨張係数をα[/℃]とした場合、以下の式を満たすことを特徴とする光学系。
   −（１+αＴ）≦ｍＴ(Δλ−αλ)／[ＰΔθmｃｏｓθm]≦１+αＴ・・・式
2. 温度変化に伴い波長が変化する特性のある少なくとも２つの光源と、前記各光源からの光束をカップリングするカップリングレンズと、使用する光の波長よりも小さい局所的周期構造を有する回折素子と、を有し、前記回折素子は、第２の周期を有し、異なる方向から入射する光束を、その各々の光束の一部がほぼ同一方向となるように出射する光源装置であって、
   前記光源装置の使用温度範囲を２Ｔ[℃]、光束の回折次数をｍ、前記回折素子の設計射出光束角をθm[rad]、前記回折素子の射出角の許容変化値を±Δθm[rad]、前記光源の設計波長をλ[nm]、１℃当たりの波長変化量をΔλ[nm]、前記第２の周期をＰ[nm]、前記回折素子の線膨張係数をα[/℃]とした場合、以下の式を満たすことを特徴とする光源装置。
   −（１+αＴ）≦ｍＴ(Δλ−αλ)／[ＰΔθmｃｏｓθm]≦１+αＴ・・・式
3. 請求項１記載の光学系または請求項２記載の光源装置を有する光走査装置であって、
   前記光学系または前記光源装置からの光束を回転多面鏡により偏向し、該偏向した光束を走査光学系により被走査面上に光スポットとして集光し、被走査面の光走査を行うことを特徴とする光走査装置。
4. 前記回折素子の線膨張係数が１４Ｅ−５[/℃]以上であることを特徴とする請求項３記載の光走査装置。
5. 請求項３または請求項４記載の光走査装置を有する画像形成装置であって、
   前記光走査装置により像担持体上に静電潜像を形成し、該静電潜像を可視化して可視画像を形成し、該可視画像を記録媒体上に転写して画像形成を行うことを特徴とする画像形成装置。

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